AMARANTO TESIS

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Text of AMARANTO TESIS

INSTITUTO POTOSINO DE INVESTIGACIN CIENTFICA Y TECNOLGICA, A.C.POSGRADO EN BIOLOGA MOLECULAR

Caracterizacin fisicoqumica y nutracutica de Ttulo de la tesis amaranto (Amaranthus hypochondriacus) cultivado (Tratar de hacerlo comprensible para el pblico general, sin abreviaturas) en San Luis PotosTesis que presenta Cecilia Silva Snchez Para obtener el grado de Doctor en Ciencias en Biologa Molecular

Director de Tesis: Dra. Ana Paulina Barba de la Rosa Codirector de tesis Dra. Elvira Gonzlez de Meja

San Luis Potos, S.L.P., Marzo 2007.

Crditos InstitucionalesEsta tesis fue elaborada en el Laboratorio de Protemica y Expresin Gnica del Departamento de Biologa Molecular del Instituto Potosino de Investigacin Cientfica y Tecnolgica A.C., bajo la direccin de la Dra. Ana Paulina Barba de la Rosa y tambin en Laboratorio de la Dra. Elvira Gonzlez de Meja del Departamento de Ciencia de Alimentos y Nutricin Humana de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Durante la realizacin del proyecto el autor recibi una beca acadmica del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologa (beca No. 172330), as como del TIES-Training Program perteneciente al US-AID program, Joint Program in Value-Added Foods at the UIUC.

Acta de examen

NDICE GENERAL Pgina

Resumen. Abstract.

i ii

I.1.1

Introduccin.Generalidades del amaranto y pptidos bioactivos. 1

II.2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.3.3 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.2.1 2.3.2.2 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7

Revisin de literatura.Historia, origen, distribucin, produccin y clasificacin del amaranto. Historia. Origen, distribucin y produccin. Clasificacin. Caractersticas del cultivo. Caractersticas generales de la semilla de amaranto. Tamao y estructura. Composicin qumica. Protenas de reserva y su funcin. Tipos de protenas de reserva. Sntesis de protenas de protenas de reserva. Localizacin de la traduccin de protenas de reserva. Pptidos bioactivos en protenas de reserva. Clasificacin de pptidos activos en protenas de reserva. Lunasin. Caracterizacin y funcin en plantas. Funcin biolgica en clulas de mamfero. Caractersticas generales del almidn de amaranto. Generalidades del almidn. El grnulo de almidn. Composicin qumica del almidn. Biosntesis del almidn. Protemica en grnulos de almidn. Caracterizacin fsica de los grnulos de almidn. Microscopia de fuerza atmica. 4 4 5 5 7 8 8 10 11 12 13 15 15 15 17 17 18 19 19 19 20 21 22 23 24

Pgina

III.3.1 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2

Justificacin, hiptesis y objetivos.Justificacin. Hiptesis. Objetivos. Objetivo general. Objetivos especficos. 26 27 28 28 28

IV4.1 4.1.1 4.1.2 4.2 4.2.1 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.1.3 4.2.1.4 4.2.2 4.2.2.1 4.2.2.2 4.2.2.3 4.2.2.4 4.2.2.5 4.2.2.6 4.2.3 4.2.3.1 4.2.3.2

Materiales y mtodos.Materiales. Material biolgico. Reactivos. Mtodos. Caracterizacin de la semilla de amaranto. Rendimiento en campo. Tamao de semilla. Peso de 100 granos. Composicin proximal. Caracterizacin de protenas de reserva. Extraccin de protenas. Cuantificacin de protenas solubles. Determinacin de aminocidos. Electroforesis de protenas unidimensional. Electroforesis de protenas bidimensional. Ensayos RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA). Caracterizacin de pptidos activos en protenas de reserva de amaranto. Prediccin de pptidos activos en protenas de reserva de amaranto. Identificacin de pptidos activos en la fraccin glutelinas mediante cromatografa de lquidos acoplada a espectrometra de masas (LC MS/MS). Caracterizacin de lunasin. Cuantificacin por ensayos de ELISA. Identificacin por Western blot. Ensayo de inmunoprecipitacin. MALDI-TOF(Matrix assisted lasser desorption ioinization). 29 29 29 30 30 30 30 30 30 31 31 31 32 32 32 33 34 34 35 36 36 37 38 38

4.2.3.2 4.2.3.2.1 4.2.3.2.2 4.2.3.2.3 4.2.3.2.4

Pgina 4.2.4 4.2.4.1 4.2.4.2 4.2.4.3 4.2.5 Caracterizacin de grnulos de almidn de amaranto. Extraccin de almidn. Extraccin de protenas asociadas a grnulos de almidn. Caracterizacin fsica del grnulo de almidn de amaranto. Anlisis estadstico. 39 39 39 40 40

V.5.1 5.1.1 5.1.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.3.1 5.1.3.2 5.2 5.2.1 5.2.1.1 5.2.2 5.2.2.1 5.2.2.2 5.2.2.3 5.2.2.4 5.2.2.5

Resultados y discusin.Caracterizacin fisicoqumica de las semillas de amaranto cultivadas en San Luis Potos. Propiedades fsicoqumas de la semilla de amaranto. Variabilidad gentica intra especie mediante anlisis de RAPD. Composicin qumica de las semillas de amaranto. Patrn electrofortico de las protenas de reserva de amaranto. Caracterizacin de glutelinas de amaranto mediante electroforesis bidimensional. Identificacin de glutelinas por LC MS/MS. Caracterizacin de pptidos bioactivos en protenas de reserva de amaranto. Prediccin de pptidos con actividad biolgica potencial en protenas de reserva. Identificacin de pptidos activos en la fraccin glutelinas de amaranto. Caracterizacin del pptido tipo Lunasin en protenas de reserva de amaranto. Contenido de Lunasin en protenas de reserva de amaranto. Deteccin del pptido tipo Lunasin mediante Western blot. Purificacin del pptido tipo Lunasin por ensayos de inmunoprecipitacin. Identificacin del pptido tipo Lunasin por MALDI-TOF. Caracterizacin de Lunasin en glutelinas de amaranto mediante electroforesis bidimensional. Caracterizacin de almidn de amaranto Caracterizacin bioqumica de las protenas asociadas a grnulos de almidn. Protenas asociadas a grnulos de almidn mediante electroforesis unidimensional. Caracterizacin de las protenas asociadas a grnulos de almidn mediante electroforesis bidimensional. 41 41 42 43 46 48 52 54 54 56 59 59 61 64 64 66 66 66 66 67

5.3 5.3.1 5.3.1.1 5.3.1.2

Pgina 5.3.1.3 5.3.2 Anlisis de las protenas asociadas a grnulos de almidn mediante MALDI-TOF. Caracterizacin fsica de los grnulos de almidn de amaranto. 68 70

VI.6.1

Conclusiones y perspectivas.Conclusiones. 74 75

VII. VIII.Anexo I Anexo II

Referencias. AnexosCaptulo en libro Characterization of bioactive pepetides in Amaranthus hypochondriacus seed storage proteins Artculo de investigacin Bioactive peptides in Amaranth (amaranthus hypochondriacus)

85 93

NDICE DE TABLAS Pgina Tabla 1 Tabla 2 Tabla 3 Tabla 4 Tabla 5 Tabla 6 Tabla 7 Tabla 8 Tabla 9 Tabla 10 Tabla 11 Rendimiento en campo de amaranto, algunos cereales y leguminosas. Comparacin de la composicin proximal entre amaranto y algunos cereales. Composicin de aminocidos esenciales de semillas de tres especies de amaranto en (g/100g de protena). Mezcla de reaccin para PCR. Condiciones de PCR para RAPD. Oligonucletidos para RAPD. Propiedades fsicas de las semillas de amaranto cultivadas en San Luis Potos. Anlisis proximal de las semillas de amaranto cultivadas en San Luis Potos. Fracciones protenicas de amaranto cultivado en San Luis Potos. Identificacin de protenas de glutelinas de amaranto mediante espectrometra de masas. Biopptidos identificados en la digestin trptica de las glutelinas de amaranto mediante cromatografa de lquidos acoplado a espectrometra de masas. Concentracin del pptido tipo Lunasin en extractos totales de protena y fracciones de protenas en g/g de protena total cuantificados por ELISA. Concentracin del pptido tipo Lunasin en extractos totales de protena y fracciones de protenas en g/g de harina cuantificados por ELISA. 8 10 11 33 34 34 41 44 44 53 58 60 60

Tabla 12

Tabla 13.

NDICE DE FIGURAS Pgina Figura 1. Figura 2. Figura 3. Figura 4. Figura 5. Figura 6. Figura 7. Figura 8. Apariencia del cultivo de amaranto. Microgrfica electrnica del grano de amaranto. Sntesis de glicina en cotiledones de soya. Ruta biosinttica de almidn mediante ADP-glucosa. Organizacin de amilopectina para formar el grnulo de almidn. Productos de amplificacin de las cuatro variedades de amaranto para el ensayo RAPD. Composicin de aminocidos de harinas de amaranto cultivado en San Luis Potos. Composicin de aminocidos de las fracciones de protenas de reserva de amaranto cultivado en San Luis Potos. Patrn electrofortico de la fracciones de protenas de reserva de amaranto cultivado en San Luis Potos. Patrn bidimensional de glutelinas de amaranto pH 3-10 lineal. Comparacin de glutelinas Criolla vs. Nutrisol pH 3-10 mediante Image Master (GE Healthcare). Patrn bidimensional de glutelinas de amaranto pH 4-7. Comparacin de glutelinas Criolla vs. Nutrisol pH 4-7 mediante Image Master (GE Healthcare). Patrn bidimensional de glutelinas de amaranto pH 6-11. Comparacin de glutelinas Criolla vs. Nutrisol pH 6-11 mediante Image Master (GE Healthcare). Glutelinas de amaranto variedad Criolla que fueron analizadas por LC MS/MS. Prediccin de pptidos con potencial actividad biolgica en protenas de amaranto. Curva estndar de Lunasin sinttico mediante ELISA. Deteccin del pptido tipo lunasin mediante Western blot. Western blot de extractos totales de protenas de amaranto mezcladas con Lunasin de soya. Western blot despus de la inmunoprecipitacin de glutelinas Masas monoisotpicas de cuatro fragmentos detectados por anlisis de MALDI-TOF y sus secuencias esperadas. Identificacin del pptido tipo lunasin mediante electroforesis bidimensional. Patrn electrofortico de protenas asociadas a grnulos de almidn. 6 9 14 21 24 42 45 46 47 49 49 50 50 51 51 52 55 59 62 63 64 65 66 67

Figura 9 Figura 10. Figura 11. Figura 12. Figura 13. Figura 14. Figura 15. Figura 16. Figura 17. Figura 18. Figura 19. Figura 20. Figura 21. Figura 22. Figura 23. Figura 24.

Pgina Figura 25. Electroforesis bidimensional de protenas asociadas a grnulos de almidn variedad Criolla. Figura 26. Identificacin de protenas asociadas a grnulos de almidn por MASCOT. Figura 27. Fragmento de los resultados de BLAST protena-protena para la sintetasa unida a grnulos de almidn. Figura 28. Microscopia Electrnica de Barrido de grnulos completos de almidn de amaranto variedad Criolla. Figura 29. Imgenes de grnulos enteros de almidn de amaranto mediante Microscopa de Fuerza Atmica Figura 30. Corte transversal de grnulos de almidn de amaranto variedad criolla mediante Microscopa de Fuerza Atmica. Figura 31. Geometra del grnulo de almidn de amaranto mediante Microscopa de Fuerza Atmica. 64 69 70 71 72 72 73

RESUMEN

RESUMEN. La caracterizacin de cultivos alimenticios subutilizados es una estrategia para incrementar y diversificar las fuentes de cultivos mundiales. El amaranto es una planta tradicional mexicana que provee tanto hojas y semillas comestibles con un alto valor nutritivo pero ha permanecido subutilizado. Dos variedades comerciales (Criolla y Nutrisol) y dos variedades nuevas (DGETA y Gabriela) de semillas de A. hypochondriacus se cultivaron es San Luis Potos como un esfuerzo para introducir cultivos alternativos en regiones donde las condiciones climticas son adversas para los cultivos mas comunes. El objetivo de este trabajo fue estudiar la adaptabilidad de amaranto a las condiciones extremas de cultivo, as como tambin caracterizar los pptidos bioactivos presentes en las protenas de reserva y la caracterizacin del almidn, el mayor componente de la semilla. Los resultados mostraron que Criolla y DGETA tuvieron el mayor rendimiento en campo (1474.7 y 1421.9 kg/ha respectivamente). La variedad con mayor contenido de protena de Gabriela (17.3 %) seguido de Criolla y Nutrisol (15.0 aproximadamente). Un modelo de prediccin de los pptidos activos en protenas de semilla mostr que las principales actividades de pptidos bioactivos de fueron antihipertensin I) e (inhibidores de de la enzima convertidora angiotensina inhibidor proteasas (Dipeptidil

aminopeptidasa IV). El lunasin, un pptido anticncer de soya, fue encontrado en protenas de reserva de amaranto. La concentracin promedio en los extractos totales de protenas fue de 11.1 g de Lunasin/g de protena total, el cual es ms bajo al valor reportado en soya. Un ensayo de Western blot permiti la identificacin de Lunasin con un peso molecular de 18.5 kDa, diferente que el de soya con un tamao de 5.4 kDa, el cual no se detect. Mediante MALDI-TOF se observ que el pptido tipo Lunasin corresponde a ms del 60% de la secuencia del pptido Lunasin de soya. Por medio de electroforesis bidimensional se caracteriz el patrn de protenas asociadas a grnulos de almidn y con el cual fue posible la identificacin de una enzima sintetasa asociada al grnulo. La caracterizacin morfolgica de los grnulos de almidn de amaranto mostr que tenan una forma hexagonal.

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ABSTRACT

ABSTRACTCharacterization of underutilized food crops is a strategy to increase and diversify the world's sources of crops. Amaranth is a traditional Mexican plant, which provides both grains and tasty leaves of high nutritional value but has remained underutilized. Two commercial (Criolla and Nutrisol) and two new varieties (DGETA and Gabriela) of A. hypochondriacus seeds were grown in San Luis Potos, as an effort to introduce alternative crops in regions where climate conditions are adverse for most of the common crops. The aim of this work was to study the adaptability of amaranth to extreme conditions of culture, as well as, characterize the bioactive seed storage proteins and amaranth starch; the major seed component. The results showed that Criolla and DGETA varieties had the higher seed yield (1474.7 and 1421.9 kg/ha respectively). The variety with higher protein content was Gabriela (17.3 %) followed by Criolla and Nutrisol (15.0% approximately). Prediction model of other active peptides in amaranth seed proteins showed that the main bioactive peptides were antihypertensive, protease inhibitors and opioid. Lunasin, an anticancer peptide from soy was found in amaranth seed storage proteins The average concentration in the whole seed protein extract was 11.1 g lunasin/g total protein, which is lower than that in soybean. Western blot allowed lunasin identification with a molecular weight of 18.5 kDa, different than the soybean size of 5.4 kDa, which was not detected. MALDI-TOF revealed that amaranth lunasin-like peptide corresponded to more than 60% of the soybean lunasin peptide sequence. By 2D electrophoresis was characterized the pattern of amaranth starch granule-associated proteins in which was possible to identify a syntase granule-bound enzyme. The morphological characterization of amaranth starch granules showed a hexagonal shape.

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I. INTRODUCCIN

I. INTRODUCCIN. 1.1 GENERALIDADES DEL AMARANTO Y PPTIDOS BIOACTIVOS. El amaranto es un pseudocereal de origen americano que fue cultivado por las antiguas civilizaciones Mesoamericanas. Se empleaba en la dieta bsica de los aztecas junto con el maz y el frijol, y tena gran importancia econmica. A la llegada de los espaoles el cultivo de amaranto fue prohibido debido a que se asociaba a cultos religiosos; dando como resultado que amaranto pasara a ser un cultivo subutilizado. En 1979, la Academia Nacional de Ciencias y la FAO propusieron que debido a su alta calidad nutricional, amaranto podra ser un grano con gran potencial para su explotacin comercial [1]. El amaranto es una planta C4 y una de las pocas dicotiledneas en las cuales el primer producto de fotosntesis es un producto de cuatro carbonos. La combinacin de caractersticas anatmicas y el metabolismo C4, da como resultado un incremento de la eficiencia del uso del CO2 bajo una amplia variacin de temperaturas y humedad que le permiten una mejor adaptacin, considerndose un cultivo alternativo en lugares donde cereales y otros cultivos de inters comercial no pueden crecer [2]. Este cultivo se puede aprovechar de manera ms eficiente puesto que ofrece tanto granos y hojas comestibles con alta calidad nutricional. Las semillas de amaranto tienen un alto contenido de protena (13-17%) y su composicin de aminocidos es cercana al balance ptimo requerido en la dieta humana [2]. Las hojas tambin contienen niveles altos de protena (28 a 49%), grasas insaturadas (45% de cido linolico), fibra (11 a 23%) y minerales como hierro, magnesio y calcio [3]. Los trabajos de investigacin en amaranto van desde la caracterizacin bioqumica de protenas de reserva del grano [4, 5], el mejoramiento de la calidad nutricional de otros cultivos de inters como la papa y el maz sobreexpresan alguna de las protenas de reserva de amaranto [6, 7]; la sobreexpresin de la globulina 11S recombinante en sistemas como Escherichia coli,

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I. INTRODUCCIN

Pichia pastoris y tabaco [8, 9, 10], la utilizacin de amaranto para la preparacin de alimentos [11, 12, 13], la suplementacin de dietas en pacientes con hipercolesterolemia, mal nutricin o alergia al gluten [14, 15, 16], sustitucin de protena animal por protenas de amaranto en alimentacin de pollos y cerdos de engorda [17, 18], desarrollo de productos novedosos como lo son pelculas comestibles para empaque de alimentos [19], o en la preservacin de granos en silos [20], aprovechamiento de otros componentes como lo es el almidn [21], y en bioremediacin de suelos contaminados con metales pesados o hidrocarburos cclicos txicos [22, 23]. Las investigaciones en alimentos van enfocadas al estudio de alimentos funcionales, que proporcionen adems de nutricin varios beneficios a la salud. Hay una gran variedad de pptidos de inters general tanto para nutricin y salud. Entre los ms importantes se encuentran aquellos que ayuden a controlar o disminuir los riesgos a la salud en enfermedades ampliamente distribuidas en el mundo como son cncer, obesidad, hipertensin y diabetes. Los grupos de pptidos con actividad biolgica son: antimicrobianos y antifngicos, antihipertensin, reguladores de colesterol, antitrombticos, reguladores de absorcin de minerales, inmunomoduladores, opioides y reguladores de funciones gastrointestinales [24] Aunque existen algunos reportes de la presencia de algunos pptidos antifngicos, anitmicrobianos y antivirales; as como tambin de algunas enzimas que actan en respuesta a estrs bitico y abitico en la planta [25, 26, 27, 28], no existen reportes de caracterizacin de pptidos con diversas actividades biolgicas que sean de inters para mejorar la salud humana y que den al amaranto un valor agregado para su explotacin comercial. Este trabajo fue enfocado a la caracterizacin fsica y bioqumica de dos variedades nuevas de amaranto (DGETA y Gabriela) comparadas con dos variedades comerciales (Criolla y Nutrisol) que fueron cultivadas en San Lus

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I. INTRODUCCIN

Potos, como un esfuerzo para introducir un cultivo alternativo en esta regin del pas enfocndose en evaluar la adaptabilidad del cultivo a un clima con altas temperaturas y pocas precipitaciones pluviales. Se llev a cabo una prediccin de diversos pptidos con probables actividades biolgicas presentes en las protenas de reserva de amaranto as como la identificacin y caracterizacin de un pptido tipo Lunasin (hasta ahora slo reportado en soya y cebada); el cual posee actividad anticancergena. Se realiz la caracterizacin de las protenas asociadas a grnulos de almidn de amaranto. El amaranto es un alimento funcional que puede aportar muchos beneficios a la salud y adems puede explotarse comercialmente como un producto de alto valor agregado.

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II. REVISIN DE LITERATURA

II. REVISIN DE LITERATURA.

2.1 HISTORIA, ORIGEN, DISTRIBUCIN, PRODUCCIN Y CLASIFICACIN DEL AMARANTO.

2.1.1 HISTORIA. El amaranto fue cultivado en Amrica desde hace 5000 a 7000 aos y junto con el maz y el frijol, fue un cultivo fundamental para las civilizaciones Mesoamericanas y Sudamericanas. Los mayas lo nombraban xtes, apreciaban principalmente su valor alimenticio y probablemente fueron los primeros en utilizarlo como un cultivo de alto rendimiento. Los aztecas lo conocan como huautli y lo ligaban con sus ritos religiosos. Por su parte los Incas lo denominaron kiwicha (pequeo gigante) y lo respetaban principalmente por sus poderes curativos. A la llegada de los espaoles se le denomino amaranto que proviene del latn y significa flor que nunca muere [29]. El amaranto fue un cultivo ampliamente distribuido en la cultura Azteca jugando un papel importante en su economa. Este grano se otorgaba como tributo al rey azteca y cada ao se perciban por este concepto alrededor de 20000 toneladas, provenientes de 17 provincias dominadas por Tenochtitln [30]. En la alimentacin lo empleaban en preparacin de alimentos como atole, tamales, pinole y tortillas; y las hojas eran consumidas como verduras. Con la semilla de amaranto se preparaba una harina que era mezclada con miel o melazas para preparar una masa llamada tzoalli con la cual se elaboraban figurillas e dolos (en algunas referencias se dice que tambin se mezclaba sangre de nios y adultos sacrificados). Estas figurillas era empleado para tradiciones religiosas donde los grandes sacerdotes lo utilizaban como fuente de fuerza e iluminacin mstica. A la llegada de los espaoles y debido a las costumbres religiosas, los sacerdotes de aquella poca ordenaron la exterminacin del cultivo debido a que consideraban que era una forma de perversin de la comunin cristiana [31].

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II. REVISIN DE LITERATURA

De esta manera casi se logra el exterminio del cultivo. Slo pocas personas conservaron la tradicin del cultivo de amaranto en pequeas parcelas y para consumo familiar. Hasta la dcada de los 80s el amaranto fue redescubierto y desde entonces han aparecidos numerosos reportes en los cuales se estudia las cualidades agronmicas y nutricionales de este grano.

2.1.2 ORIGEN, DISTRIBUCIN Y PRODUCCIN. Aunque el amaranto es un cultivo de origen mesoamericano; actualmente se encuentra distribuido en todo el mundo. Los primeros reportes de amaranto en Europa datan de los aos 1600, ste fue llevado como parte de las pruebas de la conquista del nuevo mundo y eran principalmente plantas de ornato. Hay algunos reportes de que el amaranto fue cultivado por primeras vez en Nepal y en frica del este por los aos 1700 y su cultivo fue extendido a Asia media y Asia oriental [29]. El amaranto es cultivado en varios estados de la Repblica Mexicana como lo son: Distrito Federal, Guanajuato, Hidalgo, Estado de Mxico, Morelos, Nayarit, Oaxaca, Puebla, y Tlaxcala con una produccin anual de 2959.98 ton, y un rendimiento de 1.295 ton/ha. El principal productor mundial de amaranto es la India, en particular en el valle de Sutlej y el estado de Himachal Pradesh. En Amrica del sur, Per es uno de los ms importantes pases productores. [32].

2.1.3 CLASIFICACIN. La familia Amaranthaceae esta comprendida por ms de 60 gneros y 800 especies de plantas herbceas anuales o perennes. Solo tres especies del gnero Amaranthus son cultivadas para la produccin de semillas comestibles: A. hypochondriacus y A. cruentos que son cultivadas en Mxico y Guatemala, respectivamente, y A. caudatos, que es cultivada en Per [2].

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II. REVISIN DE LITERATURA

El amaranto es una planta dicotilednea que produce semillas tipo cereal (generalmente clasificadas como monocotiledneas) por lo que se le ha denominado como un seudo cereal puesto que produce granos tipo cereal. Su clasificacin taxonmica es inexacta debido a su plasticidad botnica extrema, por lo que se han tomado en cuenta sus estructuras florales, forma y proporciones de la hoja e inflorescencias [2]. El amaranto posee hojas simples lanceoladas con una altura de plata que varia de 1.5 a 3.0 m. El nmero de hojas y el tamao muestran una gran variabilidad intra e inter especies, adems responde a diferentes condiciones de crecimiento mediante cambios en el nmero de ramificaciones, patrn de ramificacin, tamao de la plntula y combinacin de estas caractersticas [2]. Todas las ramificaciones llevan una o mas panojas de semillas y en algunas especies maduran simultneamente con la cabeza principal o la maduracin puede ser irregular (Figura 1).

Figura 1. Apariencia del cultivo de amaranto. Campo de cultivo en San Luis Potos.

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II. REVISIN DE LITERATURA

2.1.4 CARACTERSTICAS DEL CULTIVO. El amaranto es una dicotilednea del orden Caryophyllaes perteneciente a la familia Amaranthaceae del gnero Amaranthus que comprende hierbas anuales o perennes, con hojas opuestas o alternas y sin estpulas. Los miembros del gnero Amaranthus se encuentran ampliamente distribuidos en las regiones tropicales, subtropicales y templadas. El tipo de crecimiento puede ser erecto o rastrero. Los colores del tallo y las hojas van de rojo a verde con una multitud de matices intermedios y ramificado a no ramificado. Los colores de la semilla varan desde el blanco hasta el negro [33]. Esta planta es de crecimiento rpido debido a que es una de las pocas especies que sin ser un pasto utiliza la ruta C4 para la fijacin de carbono. Puede crecer en climas calientes y templados donde el suministro de agua es limitado y es altamente tolerante a condiciones ridas y suelos pobres donde habitualmente otros cultivos como los cereales crecen difcilmente. El amaranto tambin se adapta satisfactoriamente a altitudes tan elevadas como 2500 m sobre el nivel del mar [33, 2]. El cultivo de amaranto se desarrolla cuando la temperatura es alta (21C cuando menos). Las temperaturas ptimas de germinacin estn entre los 16 y los 35C. La rapidez de maduracin se incrementa cuando las temperaturas alcanzan el lmite superior de este intervalo. Sin embargo Amaranthus hypochondriacus y Amaranthus cruentus no soportan temperaturas bajas, su crecimiento cesa a los 8C y las plantas se daan cuando se alcanza una temperatura se 4C [33]. El amaranto puede ser de ciclo corto, tolerante a la sequa con un alto valor nutritivo y con mltiples usos y formas de aprovechamiento se considera como un cultivo alternativo para muchos lugares donde hay escasez e irregularidad de lluvias y donde incluso se presentan problemas de abasto de alimentos.

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II. REVISIN DE LITERATURA

Debido a que el amaranto empobrece el suelo, se recomienda rotarlo con horticultura intensiva. Responde satisfactoriamente a la fertilizacin y a abonos orgnicos. La planta de amaranto es muy frgil en los primeros das de emergencia. La floracin ocurre entre los 43 y 57 das despus de la siembra y la cosecha se realiza entre los 100 y 129 das. Producen grandes cantidades de semillas que caen al suelo fcilmente en su etapa de madurez. Una vez obtenida la semilla se procede a secarla para reducir la humedad de 52 a un 14-16%, para posteriormente almacenarla [2]. Los rendimientos de amaranto pueden compararse ventajosamente con los rendimientos promedio de otros cultivos de inters comercial (Tabla 1). Tabla 1. Rendimiento en campo de amaranto, algunos cereales y leguminosas [34]. GRANO Amaranto Trigo Cebada Avena Arroz Maz Sorgo Soya Frijol RENDIMIENTO ton/ha 3.0 4.4 2.2 1.5 3.8 1.8 3.1 1.7 0.6

2.2 CARACTERSTICAS GENERALES DE LA SEMILLA DE AMARANTO.

2.2.1 TAMAO Y ESTRUCTURA. El tamao de la semilla vara de 1.1 a 1.4 mm de largo por 1.0 a 1.3 mm de ancho (A. caudatus), tamao que es muy pequeo comparado con el del frijol o

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II. REVISIN DE LITERATURA

trigo [35]. Las semillas contienen una sola capa de testa (exotesta) y una de tegumento formada por clulas con engrosamientos en forma de estras; la cutcula constituye la cubierta protectora del embrin. El embrin es de forma circular con las puntas de la raz tocando el extremo de los cotiledones. Las clulas del embrin varan en tamao y forma y aparecen heterogneas en el contenido celular. Algunas clulas de pared delgada del parnquima contienen reservas en forma de cuerpos esfricos de naturaleza protenica, incrustados en una matriz esponjosa que tiene propiedades tpicas de lpidos o complejos lpidos. El centro de la semilla se denomina perispermo y es el tejido principal de almacenamiento, consiste de clulas del parnquima llenas de grnulos de almidn polidricos. La mayor parte de las protenas de reserva se encuentran contenidas en cuerpos protenicos de aproximadamente 1.5 a 2 m de dimetro en el embrin y de menor tamao en el endospermo. En la Figura 2 se pueden apreciar las caractersticas estructurales de la semilla de amaranto [2].

Figura 2. Micrografa electrnica del grano de amaranto [2].

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II. REVISIN DE LITERATURA

2.2.2 COMPOSICIN QUMICA. La semilla de amaranto contiene aproximadamente 11.1% de protena en promedio y se puede comparar con semillas convencionales como el maz con 13.8%, arroz con 11.7% y trigo 12.5% (Tabla 2). El contenido de grasa es relativamente alto (7.7%), sin embargo este valor es mucho menor que en algunas leguminosas consumidas como la soya con un valor de 20.1% [36]. Los anlisis de composicin indican que los contenidos de protena cruda, grasa, fibra y cenizas del amaranto son generalmente ms altos que en los cereales, sin embargo el contenido de carbohidratos es ms bajo. Tabla 2. Comparacin de la composicin proximal entre amaranto y algunos cereales [36]. ANALISIS AMARANTO MAIZ ARROZ TRIGO Humedad Protena cruda Grasa Fibra Cenizas Carbohidratosa

11.1 17.9a 7.7 2.2 4.1 57.0

13.8 10.3b 4.5 2.3 1.4 67.7

11.7 8.5b 2.1 0.9 1.4 75.4

12.5 14.0c 2.1 2.6 1.9 66.9

N x 5.85; bN x 6.25; cN x 5.7

En general el contenido de aminocidos esenciales del amaranto tiene niveles adecuados; muy en particular los aminocidos azufrados (2.6 a 5.5%) y lisina (3.2 a 6.4%); este ltimo corresponde a casi el doble de lo que contiene el maz y el trigo (2.2 a 4.5%) y algo menos de lo encontrado en leguminosas importantes como chcharo, frijoles y soya (1.4%) [37]. Esta composicin de aminocidos (Tabla 3) es poco usual debido a su balance cercano al ptimo requerido en la dieta humana en adultos segn la FAO [38], lo que hace de este grano una cosecha promisoria como alimento o fuente de protenas en la dieta [3]. Por otra parte la cantidad de aminocidos esenciales es superior en las fracciones de globulinas y prolaminas, mientras que la fraccin de albminas posee los ms altos contenidos de lisina [2].

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Tabla 3. Composicin de aminocidos esenciales de semillas de tres especies de amaranto en (g/100g de protena) [3]. AMINOCIDO Amaranthus Amaranthus FAO/WHU/UNUA Amaranthus hypochondriacus Isoleucina Leucina Lisina Met + Cisb Fenila + Tiroc Treonina Triptfano ValinaA b

cruentus 3.4 3.7 4.8 5.9 4.8 5.9 3.8 5.4 5.6 8.5 3.2 4.2 nd 2.4 4.0c

caudatus 3.6 4.1 5.9 6.3 5.7 6.4 4.7 6.2 3.8 1.1 4.1 4.7

Adultos 1.3 1.9 1.6 1.7 1.9 0.9 0.5 1.3

Nios 4.6 9.3 6.6 4.2 7.2 4.3 1.7 7.2

2.8 3.8 5.0 5.8 3.2 6.0 2.6 5.5 6.9 8.5 2.6 4.3 1.1 4.3 3.2 4.2

[38], requerimiento metionina + cistena, determinado.

requerimiento fenilalanina + tirosina; nd = no

Respecto a la calidad de la protena se han reportado valores de calificacin qumica de aminocidos (CQA) de 75, que comparado con 54 de maz, 60 del trigo, 68 de la soya y 73 de la leche refleja que es aceptable y de buena calidad. La combinacin de harina de amaranto y trigo se aproxima a una CQA de 100 [39]. Tambin se han reportado valores de PER (relacin de eficiencia de protena) de 1.6 a 2.2 [40, 41]. La digestibilidad verdadera del amaranto tanto crudo como reventado o tostado alcanza valores desde 79.2 a 88.5% [42].

2.2.3 PROTENAS DE RESERVA Y SU FUNCIN. Durante el desarrollo, caractersticamente las semillas sintetizan relativamente grandes cantidades de reservas de alimento los cuales son atrapados en tejidos especficos como son los cotiledones o el endospermo. Estas reservas son movilizadas en el momento de la germinacin y sus catabolitos son utilizados para mantener el crecimiento de la semilla hasta que esta pueda establecerse por si sola como una planta fotosinttica autotrfica. La mayora de las reservas son depositados en estructuras discretas llamadas organelos de almacenamiento; protenas en cuerpos protenicos (a menudo contienen

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reservas menores, fitina, fuentes de fosfatos y micronutrientes), lpidos en cuerpos lipdicos, almidn en grnulos de almidn (amiloplastos). Las protenas almacenadas en estos cuerpos protenicos son denominadas protenas de reserva [43].

2.2.3.1 TIPOS DE PROTENAS DE RESERVA. Existen varios tipos de clasificaciones para las protenas de reserva de semillas. En general la ms usada (pero no la ms adecuada) es la propuesta por Osborne en 1924 [44]. De acuerdo a esta clasificacin las protenas de reserva se pueden dividir en cuatro grupos de acuerdo con su solubilidad. Los cuatro grupos son: a) albminas que son solubles en agua en buffers diluidos a pHs neutrales; b) globulinas solubles en soluciones salinas pero insolubles en agua; c) Prolaminas que solubilizan en soluciones alcohlicas entre (70-90%); d) glutelinas son protenas solubles en lcalis o cidos diluidos. En cereales las protenas ms abundantes son las prolaminas y glutelinas mientras que en leguminosas las globulinas son la fraccin ms importante [43]. En su mayora, las protenas de reserva son oligomricas; las holoprotenas estn compuestas desde dos a muchas subunidades. Las subunidades pueden contener contienen dos o mas cadenas de polipptidos las cuales pueden estar unidas por puentes de hidrgeno o puentes disulfuro entre los residuos de cistena [43]. Se ha reportado que la mayor parte de las protenas de amaranto se encuentran en el embrin, anillo que rodea al perispermo almidonoso [35]. Estas caractersticas morfolgicas han sido utilizadas por Snchez-Marroqun y col. [45] para producir un concentrado de protenas, incrementando el contenido de 18 a 33%, este proceso incluye bsicamente una molienda y separacin por aire de los componentes el grano. Tambin se han extrado las protenas a varios pHs, recuperando del 71 al 74% de protena soluble [46]. Se ha reportado que

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la hidrlisis enzimtica del almidn se ha logrado obtener una fraccin de carbohidratos solubles y una harina de alto contenido de protena [21].

2.2.3.2 SNTESIS DE PROTENAS DE RESERVA. La sntesis de protenas de reserva en semillas ocurre durante los ltimos dos tercios de su desarrollo, comenzando despus de la divisin celular y que la formacin del embrin se ha completado, detenindose en la ltima etapa de maduracin y secado. El tiempo, la velocidad y la extensin de la sntesis de varias protenas de reserva, as como su distribucin es diferente en cada semilla; y aunque estas variables son reguladas genticamente, el ambiente juega tambin un papel regulatorio [47]. La acumulacin de cualquier protena es un reflejo del equilibrio establecido entre su velocidad de sntesis y su degradacin. Puesto que las protenas de reserva en los cotiledones experimentan una tasa de degradacin muy baja, sus niveles son determinados casi exclusivamente por su tasa de sntesis y procesamiento. Estos ltimos solo juegan un papel regulatorio menor, y cuantitativamente el paso limitante regulatorio en la sntesis de cualquier protena parece ser la cantidad de ARNm que este presente en las clulas del tejido de almacenamiento de la semilla [43]. Diferentes tejidos, dentro de la misma semilla, a menudo acumulan diferentes protenas de reserva, lo que sugiere que hay una regulacin gentica tejidoespecfica. En soya por ejemplo, se pueden encontrar en los ejes muy pequeas cantidades de -conglicina, la cual se encuentra ampliamente distribuida en los cotiledones (Figura 3). La reducida sntesis de -conglicina en los ejes est relacionada con la baja presencia de su ARNm, que se puede deber a una transcripcin disminuida, baja estabilidad o una traduccin limitada [43]. En cereales, las prolaminas y glutelinas del endospermo almidonoso nunca son sintetizados alrededor de la pared de la aleurona, la cual secuestra un solo tipo

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de protenas. As mismo, el embrin contiene protenas de reserva nicas, incluyendo algunas lectinas, pero estas nunca son encontradas en le endospermo almidonoso o la pared de la aleurona [43]. La regulacin de la expresin de los genes de protenas de reserva, tanto en el modo tejido especfico como en el modo temporal, esta pobremente descrita. Sin embargo existe la hiptesis de que en la regin 5 de un gen de una protena de reserva, se encuentran ciertas regiones que pueden estar involucradas en la regulacin de la expresin del gen. En otras palabras, los elementos de control que actan en cis, son activados por factores que actan en trans, una protena, que se une al ADN e interactuando con el elemento en cis, disparan la transcripcin del gen bajo el su influencia regulatoria. As, cada gen de protena de reserva puede contener secuencias de control en cis en jerarqua que permiten la respuesta a cada situacin de desarrollo ya sea en tejido-especfico o de manera temporal [48].

Figura 3. Sntesis de glicina en cotiledones de soya. Adaptada de Krochko y col. [49].

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2.2.3.3

LOCALIZACIN

DE

LA

TRADUCCIN

DE

PROTENAS

DE

RESERVA. La produccin comienza con la transcripcin en el ncleo, donde el ARNm resultante es transportado al sitio de sntesis de protenas dentro del citoplasma. La sntesis ocurre en el citoplasma especficamente en el retculo endoplasmtico rugoso (RER). El producto inicial de la traduccin contiene un pptido seal en el amino terminal requerido para el transporte de la protena desde su lugar de sntesis hasta el aparato de Golgi a travs de los tbulos del retculo endoplasmtico. Las protenas de reserva se clasifican y empacadas dentro de vesculas derivadas de Golgi, para transportarlas al compartimiento vacuola-cuerpo protenico. La fusin sucede mediante la invaginacin de las vesculas que permiten la descarga de las protenas dentro de la vacuola, y a su vez permiten el crecimiento y eventualmente dan lugar al cuerpo protenico maduro. Una subdivisin de la vacuola da como resultado la formacin de numerosos cuerpos protenicos [49].

2.3 PPTIDOS BIOACTIVOS EN PROTENAS DE RESERVA.

2.3.1 CLASIFICACIN DE PPTIDOS ACTIVOS. Los alimentos funcionales se definen como aquellos que adems de proporcionar nutricin ofrecen un beneficio adicional a la salud del consumidor. Un parte muy importante de los alimentos funcionales son los pptidos bioactivos; que se definen como pptidos que cuentan con alguna actividad biolgica y estn presentes en los alimentos ya sea de manera natural o son generados durante el procesamiento de los alimentos [24]. Los pptidos bioactivos estn compuestos generalmente de 3 a 20 residuos aminocidos de longitud y tanto las protenas de origen animal y vegetal contienen secuencias con actividades potenciales [24]. Por mucho las pptidos bioactivos ms estudiados son los derivados de la leche y huevo. Sin embargo existen tambin varios reportes donde se puede observar que protenas de

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origen vegetal como soya y trigo aportan varios pptidos bioactivos de gran inters [24, 50]. Los mtodos ms comunes para el estudio de pptidos bioactivos estn basados en ensayos in vitro para demostrar su actividad biolgica. Algunas estrategias comunes son la produccin por digestin enzimtica, hidrlisis qumica (procesamiento de alimentos), sntesis in vitro, con el fin de obtener en cantidad suficiente y en algunos casos fracciones de pptidos puros que despus son probados para actividad biolgica. Rutherfurd y col. [24] agruparon los pptidos bioactivos en grupos de acuerdo a su actividad biolgica general. Los grupos propuestos son: Antimicrobianos y antifngicos: Como su nombre lo indica, combaten una gran variedad de bacterias Gram positivas y Gram negativas as como tambin algunas levaduras y hongos. Reguladores de la integridad intestinal y anti-inflamatorios de la enfermedad de Bowel: Este grupo esta formado por algunos factores de crecimiento y pptidos que ayudan a mantener la integridad intestinal y previenen algunas inflamaciones. Antihipertensin: Dentro de este grupo se encuentran los inhibidores-ACE (enzima convertidora de angiotensina); inhiben las enzimas ACE I y II, que estn involucradas en el sistema renina-angiotensina, el cual regula la presin sangunea [51]. Los vaso-relajadores por su parte actan mediando los receptores Bradaquinina B1, prostacilina y un receptor desconocido de xido de nitrgeno [52]. Reguladores de colesterol: son todos aquellos que ayuden a controlar o disminuir los niveles de colesterol en sangre [52]. Antitrombticos: En este grupo se encuentran los pptidos que ayudan disminuir los riesgo de una trombosis, se incluyen todos aquellos pptidos que inhiben la formacin de agregados de plaquetas va la desactivacin

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de la plaquetas activadas con ADP (adenosina difosfato) o bien inhibiendo la unin de la cadena del fibringeno humano a un receptor especfico en la superficie de las plaquetas [24]. Reguladores de absorcin de minerales: Son pptidos capaces de quelar minerales ayudando a mantenerlos solubles y facilitar su absorcin. Inmunomoduladores: son pptidos que estimulan o modulan el sistema inmunolgico. Opioides: son pptidos que pueden afectar el apetito, el comportamiento y la movilidad gastrointestinal y pueden exhibir efectos tipo morfina (analgsicos potentes). Reguladores de funciones gastrointestinales: A diferencia del grupo que regula la integridad intestinal, estos pptidos tienen una accin especfica y localizada en el intestino, mediante la regulacin de hormonas del intestino o actuando especficamente in situ despus de la absorcin.

2.3.2 LUNASIN.

2.3.2.1 CARACTERIZACIN Y SU FUNSIN EN PLANTAS. El desarrollo temprano de semillas de angiospermas se caracteriza por una rpida divisin celular y diferenciacin. Una vez que el nmero de clulas es suficiente la divisin celular cesa y es entonces cuando comienza la sntesis de protenas de reserva, carbohidratos, lpidos en el endospermo de cereales y en los cotiledones de leguminosas. Durante la expansin celular, el contenido ADN genmico se incrementa como un resultado de la endoreplicacin (ciclo celular nico de pases G1 y S sin divisin celular que ocurre solo en clulas de reserva del parnquima terminales diferenciadas) [53]. La expansin temporal de un grupo de protenas hidrosolubles llamadas albminas 2S coincide con el inicio de la expansin celular de embriones de chcharo en desarrollo. Otras evidencias sugieren que un mecanismo regulatorio controla la expresin gnica y la actividad mittica de las albminas 2S.

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Glvez y col. [54] clonaron un ADNc especfico del cotiledn (Gm2S-1) que codifica para una albmina 2S de soya. Gm2S-1 contiene en su secuencia un pptido seal y una protena que es procesada postraducionalmente, que produce una subunidad pequea de 43 aminocidos. En su carboxilo terminal contiene el motivo de adhesin celular Arg-Gly-Asp (RGD) seguido de 8 residuos de Asp. Se ha reportado que el transcrito de Gm2S-1 aparece tres semanas despus de la floracin, coincidiendo con la fase de expansin celular de la semilla en desarrollo. La subunidad pequea de Gm2S-1 se le denomin Lunasin. Debido a su cola poliasparagina de la subunidad, se ha especulado que puede tener alguna actividad fisiolgica en el desarrollo de las semillas, pero su rol especfico en la regulacin del ciclo celular durante la embriognesis es desconocido [55].

2.3.2.2

FUNCIN BIOLGICA EN CLULAS DE MAMFERO.

Lunasin fue reportado por primera vez en soya. La prediccin de su estructura por homologa revel contiene una regin de unin a protenas de cromatina. Se ha demostrado que cuando es transfectado en clulas de mamfero, lunasin arresta la mitosis conduciendo a la muerte celular, caracterizada por una lisis celular y la fragmentacin de los cromosomas. Se cree que las grandes cantidades del pptido lunasin producidas por la expresin constitutiva del gen lunasin permite la unin a las regiones hipoacetiladas de la cromatina como aquellas encontradas en el cinetocoro en los centrmeros. Como resultado, el complejo del cinetocoro no se forma adecuadamente y los microtbulos fallan al unirse al los centrmeros permitiendo el arresto de la mitosis y eventualmente la muerte celular [56]. Tambin se ha observado que la adicin del pptido lunasin de manera exgena a clulas de fibroblastos de ratn C3H 10 T1/2 suprime la formacin del Foci inducida por la carcinognesis qumica del DMBA y MCA. Se ha observado que lunasin se une preferentemente a las histonas-H4 desacetiladas en clulas tratadas con un inhibidor de histona desacetilasa. La afinidad de lunasin por el

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ncleo de histonas desacetiladas sugiere un papel en la modificacin de la cromatina, un proceso implicado en el control del ciclo celular y en el papel de supresores de tumores en carcinognesis [54]. Lunasin es el primer agente antimittico aislado de una fuente comn de alimentos (soya) conocido por sus propiedades anticarcinognicas. Despus de soya, solo existe un reporte de la presencia de lunasin en cebada [56] lo que sugiere que podra encontrarse en otras fuentes biolgicas como el amaranto.

2.4

CARACTERSTICAS GENERALES DEL ALMIDN DE AMARANTO.

2.4.1 GENERALIDADES DEL ALMIDN. El almidn es el principal carbohidrato de reserva sintetizado por plantas superiores y es la fuente de energa ms importante para muchas especies incluyendo humanos. En cultivos agrcolas como los cereales (maz, trigo, arroz), esta fraccin representa del 30 al 80% del peso seco, para leguminosas (frijol, chcharo, haba) es del 25 al 50% y en tubrculos (papa, camote, yuca) representa entre un 60 y 90%. En algunas frutas tales como el mango y pltano en su estado inmaduro alcanzan contenidos de hasta un 70% en base seca [57]. En amaranto, el almidn es el principal componente y su contenido puede variar desde 52.4 a 70% de acuerdo a la especie.

2.4.2 EL GRNULO DE ALMIDN. En las plantas, el almidn se presenta como grnulos insolubles en agua, los cuales tienen una diversidad de tamaos y formas. La morfologa, composicin qumica y estructura supramolecular (arreglo en el espacio en estado slido) son caractersticas de cada especie. Su tamao vara de 0.5 a 100 m. Los grnulos ms grandes reportados son los de papa que pueden ser hasta de 100 m [58]. Los grnulos de amaranto son de los ms pequeos reportados (1-3 m) [2]. El

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tamao y distribucin de partculas son unas de las caractersticas que ms afectan las propiedades funcionales de stos.

2.4.3 COMPOSICIN QUMICA DEL ALMIDN. Los grnulos de almidn consisten de dos diferentes fuentes de polmeros de glucosa denominados amilosa y amilopectina. La amilosa es esencialmente un polmero lineal que consiste de largas cadenas de molculas de glucosa unidas por enlaces 1,4; y constituye en promedio de 20 a 30% del almidn de los grnulos. El compuesto restante que conforma a los grnulos de almidn es la amilopectina, un polmero ramificado donde las cadenas lineales de molculas de glucosa estn unidas por enlaces 1,4 y las ramificaciones ocurren en enlaces 1,6. Los puntos de ramificacin ocurren cada 12-20 molculas de glucosa, en una distancia de alrededor de 9 nm a lo largo del eje de la molcula [58]. De acuerdo al contenido de amilosa/amilopectina el almidn se clasifica en dos tipos: a) Tipo glutinoso, opaco o ceroso. Est formado principalmente por amilopectina con menos del 1% de amilosa. Se le denomina como la fraccin no gelificante, contribuyendo principalmente a la viscosidad en los alimentos debido a su alta viscosidad. b) Tipo no ceroso, translucido o normal. Esta formado principalmente por amilosa con un contenido menor al 5% de amilopectina. Se le denomina la fraccin gelificante y es el principal contribuyente en los fenmenos de retrogradacin de almidn. El almidn de amaranto es principalmente del tipo ceroso, aunque se han encontrado especies con almidn translucido; estas diferencias pueden ser debidas aparentemente las diferencias en el cultivo y ambiente en el que crezca la planta de amaranto.

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2.4.4 BIOSNTESIS DEL ALMIDN. En las clulas de la mayora de los organismos que almacenan almidn, como los tubrculos y los endospermos de los granos de cereales, el almidn es sintetizado a partir del azcar que proviene de las hojas; donde se lleva a cabo la fotosntesis. La sntesis del almidn ocurre exclusivamente en los amiloplastos (organelos celulares especializados para la sntesis de almidn). En tubrculos y semillas de leguminosas, la glucosa se convierte en glucosa-6-fosfato, que entra al amiloplasto mediante transporte de membranas. Una vez en el interior, la glucosa-6-fosfato se transforma a glucosa-1-fosfato y luego, va la enzima ADPglucosa pirofosforilasa, pasa a ADP-glucosa; sustrato para iniciar la sntesis de almidn (Figura 4) [58].

M E M B R A N A

Figura 4. Ruta biosinttica del almidn mediante ADP-glucosa [59]. Para el caso del endospermo de cereales el mecanismo difiere al reportado para ADP-glucosa. Aunque existe cierto importe de glucosa-6-fosfato, la mayora de la ADP-glucosa se realiza en el citoplasma por una enzima distinta, la ADPglucosa pirofosforilasa citoplasmtica. La ADP-glucosa entra al amiloplasto mediante un transportador especfico. Aun se siguen investigando las razonesIBQ Cecilia Silva Snchez 21

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por las cuales los cereales evolucionaron con una ruta diferente para la sntesis de ADP-glucosa [58]. Existen varias enzimas importantes que participan en la sntesis de almidn, entre estas; la ADP-glucosa pirofosforilasa, es la responsable de catalizar la reaccin para producir ADP-glucosa a partir de glucosa-1-fosfato y ATP. Las enzimas almidn sintetasa y almidn sintetasa asociada al grnulo, catalizan la adicin de unidades de ADP-glucosa al extremo no reductor de una cadena lineal de glucosas mediante enlaces 1,4. Las ramificaciones del almidn son producidas por la enzima de ramificacin de almidn, la cual rompe por hidrlisis una cadena lineal de glucosas y la transfiere a una posicin 1,6. Adicionalmente la enzima de des-ramificacin, entre otras, tambin participa en la sntesis de amilopectina [60].

2.4.5 PROTEMICA EN GRNULOS DE ALMIDN. Adems de amilosa y amilopectina, el almidn contiene pequeas cantidades de componentes menores como son protenas, lpidos, pentosas y minerales (fsforo y silicio). Entre stos, las protenas y los lpidos son por mucho los ms abundantes y los ms importantes tecnolgicamente hablando. Las cantidades exactas de protenas dependen del origen y el grado de purificacin durante su extraccin. Un almidn tpico de cereales contiene aproximadamente 0.25% de protenas. Aunque las cantidades de estos constituyentes son menores, existen estudios que confirman que su presencia afecta significativamente tanto las propiedades de los grnulos, as como las propiedades de los productos derivados de almidn [61]. En general, se acepta ampliamente que la mayora de las protenas asociadas a grnulos de almidn (PAGA), son enzimas biosintticas o degradativas que son dejadas adentro del grnulo mientras ocurre su sntesis, por lo que pueden encontrarse formando parte de la estructura o en la superficie. De acuerdo a su peso molecular estas protenas se clasifican en dos grupos:

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1) Protenas de alto peso molecular (60, 77, 86, 95 y 149 kDa). Han sido denominados protenas internas asociadas a grnulos de almidn. A este grupo pertenece la enzima almidn sintetasa, que corresponde a la banda de 60 kDa. Puede presentar varias isoformas de mayor o menor peso molecular. 2) Protenas de bajo peso molecular (5, 8, 15, 19 y 30 kDa). Han sido nombradas como protenas de superficie asociadas al grnulo de almidn. En este grupo se encuentran las fibrilinas (15 kDa), conformado por varios polipptidos dentro de los cuales se encuentran las puroindolinas, que se relacionan con la dureza del grano de trigo. Mediante estudios protemicos ha sido posible la identificacin de varias de estas protenas y sus isoformas de diferentes fuentes botnicas como son cebada, trigo, arroz, entre otras [60, 61].

2.4.6 CARACTERIZACIN FSICA DE LOS GRNULOS DE ALMIDN. Debido a la distribucin de la longitud de las cadenas y su arreglo de grupos, se piensa que el empaquetamiento de molculas de amilopectina da forma a la matriz semicristalina del grnulo. (Figura 5). Dentro de los grupos, hay cadenas adyacentes de dobles hlices que se empacan juntas en arreglos ordenados dando como resultado la formacin de una laminilla (Figura 5A). La laminilla cristalina se alterna con una laminilla amorfa formada en las regiones donde ocurren los puntos de ramificacin con una distancia de repeticin de 9 nm (Fig. 2B). Las laminillas cristalinas y amorfas se alternan formando anillos semicristalinos concntricos dentro del grnulo (Fig. 2C). Este arreglo es denominado como el modelo de almidn lquido cristalino [62]. Oostergetel y Bruggen [63] incluyeron un concepto denominado cadena lateral que supone un nivel de organizacin ms complejo. Gallant y col. [64] hicieron nfasis en este nivel adicional de organizacin y lo llamaron blocklets, donde se considera que estos blocklets son paquetes de amilopectina parcialmente cristalina con

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II. REVISIN DE LITERATURA

ramificaciones de molculas de amilopectina que contribuyen al componente cristalino del grnulo (Figura 5).

A

B

C

D

Figura 5. Organizacin de amilopectina para formar un grnulo de almidn. (A) Formacin de una laminilla cristalina, (B) Alternacin de laminillas cristalina y amorfa, (C) Arreglo de laminillas amorfas y cristalinas en anillos concntricos [58]; (D) Apariencia de un corte de un grnulo de almidn de chcharo obtenido por Microscopa de Fuerza Atmica [62].

2.4.7 MICROSCOPA DE FUERZA ATMICA. La Microscopa de Fuerza Atmica (MFA) es una herramienta muy poderosa que ha sido empleada en la captura de imgenes tridimensionales de estructuras biolgicas y biomolculas en condiciones muy cercanas a las ambientales, lo que permite que se puedan seguir procesos bioqumicos y fisiolgicos en tiempo real con una resolucin que puede llegar a ser atmica [65]. El principio de operacin se basa en la interaccin atmica entre una punta y la superficie analizada. Las fuerzas producidas son del orden de 10-9 a 10-7 N y son conocidas como fuerzas de Van der Waals. La MFA permite capturar imgenes de clulas vivientes y molculas en ambientes acuosos con una resolucin comparable y en ocasiones superior a la Microscopa Electrnica de Barrido (MEB). Aunque la MEB presenta varias desventajas sobre la MFA, sigue siendo una tcnica complementaria en la caracterizacin fsica de muestras. La MFA se ha empleado para el estudio de sistemas fijos (ADN cromosomal, ADN plasmdico, protenas multimricas en membranas, membranas diversas,

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II. REVISIN DE LITERATURA

protenas en arreglos bidimensionales y clulas vivientes) y de sistemas dinmicos (polimerizacin y crecimiento cristalino del fibringeno, propiedades fisicoqumicas como elasticidad y viscosidad; y varias fuerzas qumicas) [66]. La MFA se empleada para determinar la estructura interna de los grnulos de almidn de papa, maz, chcharo y arroz con lo que se han podido confirmar las teoras estructurales de los grnulos de almidn. Sin embargo, hasta la fecha no existen reportes de la estructura cristalina de los grnulos de almidn de amaranto.

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III. JUSTIFICACIN, HIPTESIS Y OBJETIVOS

III. JUSTIFICACIN, HIPTESIS Y OBJETIVOS.

3.1 JUSTIFICACIN. Este trabajo est enfocado a la caracterizacin fsica y bioqumica de dos nuevas variedades de amaranto que fueron cultivadas en San Lus Potos, esto como un esfuerzo para introducir un cultivo alternativo en esta regin del pas, donde difcilmente crecen cultivos como los cereales; enfocndose en evaluar la adaptabilidad del cultivo a un clima con altas temperaturas y pocas precipitaciones pluviales. Las investigaciones en amaranto se han enfocado a la caracterizacin fsica y bioqumica de protenas de reserva del grano [4, 5, 67], mejoramiento de la calidad nutricional de cultivos de inters comercial como son papa y maz [6, 7]; sobre-expresin de la globulina 11S en sistemas como Escherichia coli, Pichia pastoris o plantas de tabaco [8, 9, 10], sustitucin de ingredientes en la elaboracin de alimentos [11, 12, 13], suplementacin de dietas en pacientes con diversas enfermedades [14, 15, 16], sustitucin de protena animal en alimentacin de animales de engorda [17, 18], desarrollo de pelculas comestibles para empaque de alimentos [19], como preservador granos en silos [20], aprovechamiento del almidn [21], y bioremediacin de suelos contaminados con metales pesados o hidrocarburos cclicos txicos [22, 23]. Algunos reportes citan la presencia de pptidos antifngicos, anitmicrobianos y antivirales; pero no existen reportes de la caracterizacin de pptidos con diversas actividades biolgicas que sean de inters para mejorar la salud humana y que den a amaranto un valor agregado para su explotacin comercial. Por otra parte, el almidn de amaranto es una fraccin importante que no se utilizado comercialmente. Posee caractersticas sobresalientes como lo son un tamao de grnulo muy pequeo (1-3m), y un alto contenido de amilopectina (99%) [2]; hacindolo muy interesante desde el punto de vista de elaboracin de

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III. JUSTIFICACIN, HIPTESIS Y OBJETIVOS

productos alimenticios con propiedades funcionales diferentes a los almidones tradicionales; as como tambin en la obtencin de almidones modificados que ofrezcan nuevas caractersticas de inters industrial. Para lograr este objetivo es necesario conocer la naturaleza fsica de de los grnulos de almidn de amaranto, ya que hasta la fecha no se encuentran estudios bsicos enfocados a su caracterizacin fsica (distribucin, tamao y morfologa). De manera similar, las protenas asociadas a los grnulos de almidn de amaranto, podran funcionar como determinantes genticos que rigen la biosntesis, conformacin estructural y funcionalidad de estos grnulos, por lo que la caracterizacin de estas protenas, mediante herramientas como la protemica, dar como resultado informacin relevante que ayude a disear genticamente almidones de caractersticas deseadas. La combinacin de los estudios de morfologa obtenidos mediante microscopia de fuerza atmica (MFA) en conjunto con el estudio de las protenas asociadas a grnulos de almidn mediante protemica ser una herramienta poderosa en el diseo de almidones modificados. De esta manera se propone al amaranto como un alimento funcional el cual puede aportar muchos beneficios a la salud y adems puede explotarse comercialmente como un producto de alto valor agregado.

3.2 HIPTESIS. I. Las nuevas variedades de Amaranthus hypochondriacus DGETA y Gabriela pueden ser cultivadas en regiones semiridas de San Luis Potos. II. Las protenas de reserva de amaranto contienen pptidos activos con diferentes actividades biolgicas. III. Las protenas de reserva de amaranto contienen el pptido anticarcinognico tipo Lunasin. IV. Los grnulos de almidn de amaranto presentan la misma estructura que los grnulos de cereales.

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III. JUSTIFICACIN, HIPTESIS Y OBJETIVOS

3.3 OBJETIVOS.

3.3.1 OBJETIVO GENERAL. Caracterizacin y protemicos. fisicoqumica y nutracutica de amaranto (Amaranthus

hypochondriacus) cultivado en San Luis Potos, mediante estudios morfolgicos

3.3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS. I. II. III. IV. V. Estudiar la adaptabilidad de a

Amaranthus

hypochondriacus

condiciones adversas de cultivo. Obtener el perfil de pptidos bioactivos en protenas de reserva de amaranto Caracterizacin de los pptidos bioactivos de fraccin glutelinas. Caracterizar el pptido lunasin en amaranto. Caracterizar mediante anlisis protemico las protenas que se encuentran asociadas a grnulos de almidn y analizar la estructura interna del grnulo de almidn mediante MFA.

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IV. MATERIALES Y MTODOS

IV. MATERIALES Y MTODOS.

4.1 MATERIALES.

4.1.1 MATERIAL BIOLGICO. Las semillas de Amaranthus hypochondriacus fueron cultivadas en el CBTa 196 de Villa de Pozos en San Luis Potos. Para la caracterizacin se emplearon dos variedades comerciales (Criolla y Nutrisol) y dos nuevas variedades (DGETA y Gabriela). Las semillas se molieron y tamizaron hasta obtener una harina de malla No. 100. La harina se desengras por 4 h con hexano en una relacin harina/hexano 1:10 (p/v) en agitacin magntica a 4C. La mezcla se centrifug a 13000 rpm por 20 min a 4C. La pastilla resultante libre de grasa se sec a temperatura ambiente. Las semillas y harina tanto entera como desengrasada se almacenaron a 4C hasta su uso.

4.1.2 REACTIVOS. Todos los reactivos empleados fueron comprados en SIGMA (San Luis Missouri), a menos que sea especificado de otra compaa. El hexano (American Burdick & Jackson, Muskegon, MO) empleado para desengrasar las muestras fue grado analtico, con una pureza mayor al 85%. La albmina de suero bovino (ASB) se obtuvo con una pureza mnima de 98%. Tris [hidroximetil]aminometano hidroclrico (Tris-HCl) fue grado biotecnolgico certificado, con una pureza mnima de 99%. Los reactivos de electroforesis fueron comprados en Biorad (Hercules, California). Los reactivos para Western blot fueron adquiridos en Amersham Biosciences (GE Healthcare Bio-Sciences Corp. Piscataway Nueva Jersey).

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IV. MATERIALES Y MTODOS

4.2 MTODOS.

4.2.1 CARACTERIZACIN DE LA SEMILLA DE AMARANTO.

4.2.1.1 RENDIMIENTO EN CAMPO. La semilla de Amaranthus hypochondriacus fue cultivada en el CBTa 196 de Villa de Pozos, en San Luis Potos. El mtodo experimental fue de bloques completos aleatorios con 5 bloques por variedad. Las semillas se depositaron manualmente con espaciamiento de 30 cm entre semilla y semilla en cuatro lneas de 6 m de largo y 80 cm de separacin entre lnea y lnea. Las plantas se regaron dos veces; una al inicio del experimento para la preparacin del suelo (abril 2002), y la segunda 4 meses despus (agosto 2002). Se midi la altura de la planta desde el suelo hasta la punta de la espiga una vez que la elongacin del tallo se complet (noviembre 2002). Las semillas se cosecharon manualmente y el rendimiento fue calculado en ton/hectrea de superficie sembrada.

4.2.1.2 TAMAO DE SEMILLA. La determinacin del tamao de semilla se llev acabo manualmente con un vernier de precisin. Se seleccionaron al azar 100 semillas de cada variedad para realizar las mediciones y se obtuvo la media aritmtica. Todas las mediciones fueron llevadas a cabo por triplicado.

4.2.1.3 PESO DE 100 GRANOS. La determinacin del peso hectoltrico se llev a cabo pesando 100 semillas de cada variedad tomadas al azar. Esta determinacin se realiz por triplicado.

4.2.1.4 COMPOSICIN PROXIMAL. El contenido de nitrgeno (mtodo 954.01), grasa (mtodo 920.39), cenizas (mtodo 923.03), fibra (mtodo 962.09) y humedad (mtodo 925.09) de las

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IV. MATERIALES Y MTODOS

harinas de las cuatro variedades se determin de acuerdo a los procedimientos estndar de la AOAC [68]. El nitrgeno se determin con un sistema Kjeltec (Tecator, Suiza). La protena se calcul como el contenido de nitrgeno x 5.85. El contenido de lpidos se determin con una extraccin de 4 h. Las cenizas se calcularon a partir del peso remanente de una muestra calcinada a 550C por 2 h. El contenido de humedad se determin con base en la perdida de peso despus de secar las muestras a 110C por 4h. Todas las muestras se analizaron por triplicado.

4.2.2 CARACTERIZACIN DE PROTENAS DE RESERVA.

4.2.2.1 EXTRACCIN DE PROTENAS. La extraccin de protenas se llev a cabo de acuerdo con lo reportado por Barba de la Rosa y col. [4]. La fraccin de albminas ms nitrgeno no protenico (NNP) se obtuvo a partir de harina desengrasada y se emple como agente de extraccin agua destilada. Las suspensiones de harina/solvente (1:10 p/v) se extrajeron con agitacin magntica por 1h a 4C y se centrifug a 13000 rpm por 15 min a 4C. El sobrenadante se colect y congel para anlisis posterior. La pastilla resultante se resuspendi en 0.1 M NaCl, 0.010 M K2HPO4, pH 7.5, 0.001 M EDTA para la extraccin de globulinas 7S; y se sigui el procedimiento de extraccin arriba mencionado. La fraccin de globulinas 11S se obtuvo con el buffer 0.8 M NaCl, 0.010 M K2HPO4, pH 7.5, 0.001 M EDTA. Las prolaminas se obtuvieron con una solucin de etanol al 70% y finalmente las glutelinas con una solucin 0.1 M de NaOH. Los sobrenadantes se colectaron y almacenaron a -20C hasta su uso. Todas las muestras se analizaron por triplicado.

4.2.2.2 CUANTIFICACIN DE PROTENAS SOLUBLES. Las fracciones de protenas se cuantificaron con el kit Protein assay de Biorad (Hercules, California) de acuerdo con las especificaciones del fabricante.

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IV. MATERIALES Y MTODOS

4.2.2.3 ANLISIS DE AMINOCIDOS. La determinacin de aminocidos se llev a cabo mediante cromatografa de lquidos de fase reversa (RP-HPLC) con el kit AccQ-Tag (Waters) para anlisis de aminocidos. Se emplearon 200 l de cada fraccin de protena o 5 mg de harina de cada una de las variedades. Se hidrolizaron con HCl 6N for 24 h a 110C en un sistema al vaco; se aadieron uno o dos cristales de fenol como trampa de O2. Las muestras se neutralizaron con NaOH 1.2 N y rehidrataron de acuerdo con las especificaciones del fabricante. Las muestras se derivaron con el reactivo AQC (6-aminoquinolyl-N-hydroxysuccinimidyl carbamate). El anlisis se llev a cabo aplicando 5 l de muestra a la columna. Todas las muestras se analizaron por triplicado.

4.2.2.4 ELECTROFORESIS DE PROTENAS UNIDIMENSIONAL. La electroforesis de protenas Sodium Dodecyl Sulfate-PolyAcrylamide Gel Electrophoresis (SDS-PAGE) se llev a cabo de acuerdo con el mtodo reportado por Laemmli [69]. Todos los geles fueron al15% de poliacrilamida y se corrieron en un sistema Mini-Protean III de Biorad. La reduccin de puentes disulfuro se llev a cabo con mercaptoetanol (5% v/v) a100C for 1 min. Las condiciones de corrida de electroforesis se realizaron con una corriente constante de 20mA por gel por 1-2 h. Despus de la electroforesis los geles se tieron toda la noche con Azul de Commasie Brillante G250 en una concentracin final de 0.25%. El desteido se llev a cabo lavando el gel con una solucin de 50% de metanol + 2% cido actico durante 2-4 h. Los geles fueron fotografiados en un equipo Kodak para su anlisis posterior.

4.2.2.5 ELECTROFORESIS DE PRETENAS BIDIMENSIONAL. Se carg 100 g de protena en tiras inmovilizadas de pH 3-10 lineal de 7 cm (GE Healthcare). Las tiras se rehidrataron por 14 h a temperatura ambiente. Antes de cargar las protenas se agregaron las concentraciones indicadas de DTT y anfolinas de acuerdo con las especificaciones del proveedor. Se corri el isoelectroenfoque en un IPGPhor (GE Healthcare) de acuerdo con las

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IV. MATERIALES Y MTODOS

especificaciones del proveedor. Una vez realizado el isoelectroenfoque se procedi a la separacin por peso molecular o se almacenaron a -20C hasta por un mes. Antes de correr la segunda dimensin las tiras se equilibraron por 15 min en buffer de equilibrio (6M Urea; 30% glicerol; 2% SDS; 50mM TrisHCl, pH 8.8; 1% DTT). La electroforesis en gel de poliacrilamida se realiz en un sistema Mini Protean III, donde se coloc la tira y se sello con agarosa con azul de bromofenol para seguir el frente de la corrida (Tris base 25 mM, glicina 192 mM, SDS 0.1%, agarosa 0.5%, azul de bromofenol 0.002%) de igual manera que la electroforesis unidimensional. Los geles se tieron con Azul de Coomassie Brillante G250. El anlisis de los geles se llev a cabo con el software Image Master de GE Healthcare [60].

4.2.2.6 RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA). El ADN fue extrado de hojas jvenes de las cuatro variedades de amaranto, mediante el protocolo de Dellaporta y col. [70]. La cuantificacin de ADN se realiz espectrofotomtricamente tomando la absorbancia a 260 nm. El protocolo de RAPD-PCR se realiz de acuerdo a lo reportado por Chan y col. [71], con pequeas modificaciones. La Tabla 4 muestra los componentes de la mezcla de PCR y se realiz en un volumen final de 25 l. Los oligonucletidos empleados se muestran el la Tabla 5. La reaccin de PCR se llev a cabo en un termociclador i-Cycler (Biorad). Las condiciones de amplificacin se muestran en la Tabla 6. Los productos de amplificacin se resolvieron en geles de agarosa al 1.4 % (1X TAE) y se tieron con bromuro de etidio. Tabla 4. Mezcla de reaccin para PCR. Reactivo MgCl2 Oligonucletidos DNA genmico dNTPs Buffer PCR H2O Taq Polimerasa Concentracin 3 mM 0.2 pmol 30 ng 0.2 mM 1X --2.5 ml (0.05 U)

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IV. MATERIALES Y MTODOS

Tabla 5. Condiciones de PCR para RAPD. Nmero de ciclos Temperatura Tiempo 94C 2 min 1 45 1 94C 35C 72C 72C 1 min 2 min 2 min 7 min

Tabla 6. Oligonucletidos para RAPD. Nmero Secuencia 13 cctgggtgga 17 cctgggcctc 23 cccgcctccc 30 ccggccttag 34 ccggccccaa 43 aaaaccgggc 65 aggggcggga 77 gagcaccagg 81 gagcacgggg 85 gtgctcgtgc 88 cgggggatgg 90 gggggttagg 95 ggggggttgg 98 atcctgccag

4.2.3 CARACTERIZACIN DE PPTIDOS ACTIVOS EN PROTENAS DE RESERVA DE AMARANTO.

4.2.3.1 PREDICCN DE PPTIDOS ACTIVOS EN PROTENAS DE RESERVA DE AMARANTO. Se realiz una bsqueda de las secuencias de protenas reportadas para Amaranthus sp. en http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez. Estas secuencias fueron analizadas para obtener el perfil de pptidos activos que estn presentes en protenas de reserva de amaranto usando la base de datos http://www.uwm.biohemia.edu.pl/biochemia.

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IV. MATERIALES Y MTODOS

La frecuencia de ocurrencia (A) de un pptido bioactivo en una protena est dada por la ecuacin:

Donde a = Nmero de residuos de aminocidos del fragmento que forma el pptido bioactivo en una secuencia de protena; N = Nmero de residuos de aminocidos de la protena. La frecuencia de los pptidos identificados fueron graficados. En el eje x se encuentran las protenas de reserva de amaranto. En el eje y se graficaron las actividades encontradas y en el eje z se lee la frecuencia de ocurrencia de cada biopptido en una protena dada [50].

4.2.3.2 IDENTIFICACIN DE PPTIDOS ACTIVOS EN LA FRACCIN GLUTELINAS MEDIANTE CROMATOGRAFA DE LQUIDOS ACOPLADA A ESPECTROMETRA DE MASAS (LC MS/MS). Debido a que la fraccin de glutelinas es una de las ms importantes se emple para la identificacin de pptidos activos en protenas de reserva de amaranto. La fraccin glutelinas se digiri con tripsina siguiendo el protocolo reportado por Kinter y Sherman [72]. Se tom una alcuota de las glutelinas y se precipitaron para obtener 200 g de protena. La pastilla se resuspendi en 250 l de buffer de urea (Urea 6M, Tris 100 mM pH 7.4). La muestra se redujo con DTT y se alquil con iodoacetamida. La digestin se realiz con tripsina en una relacin 1:50 por 14 horas a 37C. La reaccin se detuvo ajustando el pH a 6 con cido actico concentrado. El anlisis de cromatografa lquida acoplada a espectrometra de masas se llev a cabo en un sistema que consiste de un HPLC Agilent 1200 (Palo Alto, CA) acoplado a un espectrmetro de masas QTRAP 3200 de Applied Biosystems

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IV. MATERIALES Y MTODOS

(Foster City, California) equipado con una fuente de ionizacin NanoTM ion spray de la unidad de espectrometra de masas del CINVESTAV-IPN en Mxico. La separacin cromatogrfica se realiz con una columna Zorbax 300SB C18 (150 X 0.075 mm, 3.5 m). Los solventes de HPLC consistieron en A: 98% H2O (v/v), 2% acetonitrilo (v/v) mas 0.01% de cido frmico; y B: 98% acetonitrilo (v/v), 2% H2O (v/v) mas 0.01% de cido frmico. Se cargaron 10 l de muestra a la columna. Despus de 30 min de equilibrio con 90% de fase A, los pptidos fueron eluidos directamente en la fuente de ionizacin de electroespray con un gradiente de 10 a 60 % de fase B a un flujo de 400 nL/min. La identificacin de pptidos se realiz usando MASCOT (Matrix Sciences, http://www.matrixcience.com/). La identificacin de pptidos bioactivos se realiz haciendo una bsqueda en la base de datos para pptidos activos (http://www.uwm.edu.pl/biochemia).

4.2.3.2 CARACTERIZACIN DE LUNASIN.

4.2.3.2.1 CUANTIFICACIN POR ENSAYOS DE ELISA. Se emple un ensayo competitivo indirecto. Se colocaron 100 l tanto de extractos protenicos totales o de cada una de las fracciones de cada variedad en una placa para ensayos de ELISA de 96 pozos Nunc Maxisorp, con alta afinidad por protenas. Se prepar una curva estndar de lunasin sinttico en agua destilada en un intervalo de concentracin de 24-72 ng/ml. Las muestras, los estndares y los blancos (agua destilada) se dejaron incubar por 14 h a 4C. Se realiz un lavado de 6 tiempos con 300 l de buffer de lavado (10mM PBS y 50mM Tween 20) a la mnima velocidad de inyeccin (150 l/pozo/s) y una velocidad de aspiracin de 5mm/s) para evitar el desprendimiento de protena. Los pozos se bloquearon por 1 h a temperatura ambiente aadiendo 300 l por pozo de TBS (50mM Tris-HCl pH 7.6, 150 mM NaCl) mas 1% de Tween 20 y 5% de BSA. Despus de un lavado, la placa se incub con 50 l de una dilucin 1:1000 del anticuerpo de Lunasin monoclonal en buffer de anticuerpo (TBS, 3% BSA, 1% Tween 20). Despus de un lavado la placa se incub por 1h con 50 lIBQ Cecilia Silva Snchez 36

IV. MATERIALES Y MTODOS

de una dilucin 1:2000 del anticuerpo secundario (IgG anti-ratn con un conjugado de fosfatasa alcalina). Las placas se lavaron y se les aadi 100 l de TMB (3, 3, 5, 5 tetrametilbenzidina) para desarrollar la reaccin colorida por 1 h. La reaccin fue detenida con NaOH 2N y las placas se leyeron a 450nm en un lector de ELISA (Elx 808 IU, Biotek Instruments; Winooski, VT). La concentracin de lunasin se expres como g/g de protena total [73].

4.2.3.2.2 IDENTIFICACIN POR WESTERN BLOT. Los extractos de protena total y las fracciones de protena se prepararon a una concentracin de 2 mg/ml. Se diluyeron en una relacin 1:1 con buffer de tristricina y se hirvieron por 5 min. Se aplicaron 20 l de cada muestra a los geles de poliacrilamida para polipptidos. Los geles se corrieron por duplicado en un sistema Mini Protean-III a 25 mA constantes por gel por 180 min, usando buffer de Tris-Tricina-SDS como buffer de corrida. Uno de los geles se utiliz para una tincin de Coomassie mientras el otro se coloc en 50 ml de buffer de transferencia (25mM Tris, 192 mM glicina, pH 8.3, 10% metanol v/v) por espacio de 15 min. Se llev a cabo una transferencia a una membrana PVDF. Las condiciones de transferencia hmeda se fijaron a 300 mA constantes ( 100 V) por 90 min a 4C [74]. Despus de la transferencia la membrana se enjuag dos veces en buffer TBS (20mM Tris, 500mM NaCl, pH 7.5). La membrana se bloque por 1 h usando 2% de reactivo para bloquear avanzado ECL (GE Healthcare Bio-Science Corp. Piscataway NJ) mas 0.1% de Tween 20 en buffer TBS. Se realizaron dos lavados de 15 min con buffer TTBS (buffer TBS + 0.1% de Tween 20). La membrana se incub toda la noche a 4C en una dilucin 1:10000 del anticuerpo policlonal Lunasin en buffer de anticuerpo (2% de reactivo para bloquear avanzado ECL en buffer TBS). Despus de los lavados con TTBS se incub con el anticuerpo secundario (IgG anti-conejo conjugado a fosfatasa alcalina) en una dilucin 1:10000 [73]. Despus de los lavados con buffer TTBS, se realiz la deteccin con sustrato del kit Inmuno-qumico luminiscencia de acuerdo a las especificaciones del fabricante. Las fotos fueron tomadas en una estacin de imgenes Kodak 440FC.

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IV. MATERIALES Y MTODOS

4.2.3.2.3 ENSAYO DE INMUNOPRECIPITACIN. Los ensayos de inmunoprecipitacin se llevaron a cabo para purificar la protena correspondiente al pptido tipo Lunasin de amaranto. La inmunoprecipitacin se realiz de acuerdo al procedimiento reportado por Bhat y col. [75]. Se realiz un paso de pre-purificacin en el cual 250 l de la fraccin de protena concentrada a 2.5 mg/ml mas 2.5 l de anticuerpo IgG anti-conejo no especfico mas 25 l de las protenas A/G adheridas a perlas de agarosa. La reaccin se incub a 4C en un mezclador de extremo a extremo por 1h. Las muestras se centrifugaron 5 min a 10000 x g a 4C. El sobrenadante se recuper en un tubo nuevo y preenfriado. Se tomaron 200 l de la muestra pre-clarificada y se agregaron 300 l de buffer RIPA (Radio Immuno Precipitation assay) ms 2 l de anticuerpo policlonal antilunasin y se mezclaron a 4C en el agitador extremo a extremo por espacio de 1 h. Despus de la incubacin se aadieron 25 l de las perlas de azarosa con las protenas A/G y se mezclaron en el agitador extremo a extremo a 4C toda la noche. Despus de la incubacin, las muestras se centrifugaron 1 min a 10000 x g. La pastilla formada se lav 5 veces con 500 l de buffer RIPA. Despus del ltimo lavado, la pastilla se resuspendi en 100 l de buffer de carga para geles de tris-tricina. Las muestras se hirvieron por 5 min y una alcuota de 20 l se aplic a geles de polipptidos. Se corrieron geles por duplicado para teir con Coomassie y realizar Western blot.

4.2.3.2.4 MALDI-TOF (Matrix assisted lasser desorption ioinization). Se llev a cabo un anlisis mapeo de huellas de masas MALDI para confirmar la identidad de lunasin mediante un Voyager-DE STR (Applied Biosystems) en la Unidad del Centro de Protenas de la Universidad de Illinois en UrbanaChampaign. La banda correspondiente al peso molecular identificado por Western Blot se cort del gel de poliacrilamida de la inmunoprecipitacin. La identidad de la banda se estableci comparando el mapa de masas de pptidos con el mapa predicho de pptidos para Lunasin de la digestin trptica. El

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IV. MATERIALES Y MTODOS

anlisis

se

llev

acabo

usando

MASCOT

(Matrix

Sciences,

http://www.matrixcience.com/) [76].

4.2.4 CARATCTERIZACIN DE GRNULOS DE ALMIDN DE AMARANTO.

4.2.4.1 EXTRACCIN DE ALMIDN. El almidn se obtuvo a partir de harina de semillas de amaranto (Amaranthus hypochondriacus). La extraccin se realiz con una solucin de cloruro de mercurio 10mM, para inhibir la accin enzimtica y evitar daos a los grnulos, en una relacin 1:2 (harina:solucin de extraccin) por 24h a 5C [77]. Despus de este periodo la suspensin se crib en una malla 40, 100 y 200 y se lav con agua destilada hasta obtener una masa de color amarillo sin salida aparente de lquido con residuos de almidn. La solucin obtenida se dej decantar por 24h a 4C. El precipitado se resuspendi en una solucin de cloruro de sodio 0.1 M:tolueno (7:1, v/v) y se mantuvo en agitacin toda la noche. La muestra se centrifug a 4000 rpm por 15 min. La pastilla obtenida se resuspendi con la mezcla de cloruro de sodio 0.1 M:tolueno (7:1, v/v) y se mantuvo en agitacin toda la noche seguido de la centrifugacin a 4000 rpm durante 15 min. La pastilla obtenida se dej reposar por 12 h a temperatura ambiente para eliminar los residuos de tolueno. Posteriormente se moli y se tamiz en malla 40 para obtener el almidn puro. Se almacen en contenedores plsticos sellados a 4 C hasta su uso.

4.2.4.2 EXTRACCIN DE PROTENAS ASOCIADAS A GRNULOS DE ALMIDN. La extraccin de protenas asociadas a grnulos de almidn se realiz de acuerdo a lo reportado por Boren y col. [60]. Una muestra de 1 g de almidn se lav 3 veces con 10 ml del buffer B (50mM Tris-HCl pH 7.5, 1mM EDTA, 1mM DTT) y 2 veces con el buffer de lavado de SDS (Tris-HCl 62.5 mM, pH 6.8, DTT 10 mM, 2% SDS) para eliminar cualquier protena de reserva que permanezca despus del aislamiento de almidn. Las protenas se extrajeron por gelificacin

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IV. MATERIALES Y MTODOS

del almidn. El almidn lavado se hirvi por 15 min con 20 ml de buffer de lavado SDS. La pasta resultante se congel 1h y se descongel durante 20 min a temperatura ambiente. Se centrifug a 12000 rpm durante 30 min. El sobrenadante es la fraccin que contiene las protenas asociadas a grnulos de almidn. Las protenas fueron concentradas con cido tricloroactico (TCA) en acetona al 30% y la pastilla resultante, se resuspendi en buffer de rehidratacin (Urea 8 M, 2% CHAPS, 0.002% Azul de bromofenol).

4.2.4.3 CARACTERIZACIN FSICA DEL GRNULO DE ALMIDN Los estudios de Microscopa de Fuerza Atmica (MFA) se realizaron usando un equipo Jeol JSPM-5200 Scanning Probe Microscope. Se escanearon cortes de grnulos de almidn a temperatura ambiente en atmsfera de aire, las muestras se escanearon en modo intermitente y se obtuvieron imgenes de topografa y fases. Se utilizaron puntas de nitruro de silicio y los barridos se hicieron de 1 50 m. Para obtener imgenes de Microscopa Electrnica de Barrido (MEB) se emple un equipo Philips XL30 SFEG. Se observaron grnulos de almidn recubiertos con oro, en modo de electrones secundarios con un voltaje de 1-25 KV para obtener amplificaciones de 100X - 50000X. Adems, con el mismo equipo se determin la composicin cualitativa de la muestra.

4.2.5 ANLISIS ESTADSTICO. Se realizaron anlisis estadstico y se emple la prueba de Tukey para determinar las diferencias significativas entre las medias. Las tendencias se consideraron significativas cuando un grupo de medias comparadas fue diferente a una p= 0.05 [78].

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V. RESULTADOS Y DISCUSIN

V. RESULTADOS Y DISCUSIN.

5.1 CARCTERIZACIN FISICOQUMICA DE LAS SEMILLAS DE AMARANTO CULTIVADAS EN SAN LUIS POTOS.

5.1.1 PROPIEDADES FISICOQUMICAS DE LA SEMILLA DE AMARANTO. Las semillas de amaranto fueron cultivadas en San Luis Potos bajo condiciones limitadas de riego. La Tabla 7 muestra las principales propiedades fsicas evaluadas. Las variedades Criolla y DGETA fueron significativamente diferentes y tuvieron un mayor rendimiento en campo (1474.7 y 1421.9 kg/ha respectivamente); seguidas de la variedad Gabriela (1203.6 kg/ha) y Nutrisol (1121.2 kg/ha). El rendimiento de amaranto puede ser comparado con otros cultivos comercialmente importantes como soya (1700 kg/ha) y maz (1800 kg/ha) [34]. El anlisis estadstico mostr que el peso de 100 semillas de la variedad Gabriela fue significativamente mayor que el de las dems, seguido de la variedad DGETA, Criolla y Nutrisol. El rendimiento de harina tambin mostr diferencias significativas agrupando a las variedades Criolla y Gabriela con mayor rendimiento seguidas de DGETA y Nutrisol. Tabla 7. Propiedades fsicas de las semillas de amaranto cultivadas en San Luis Potos. Variedad Rendimiento de semilla (kg/ha) Criolla DGETA Gabriela Nutrisol 1474.7a/a 1421.9a/a 1203.6a/b 1121.2a/c Peso de 100 semillas (mg) 6.1c/c 6.9c/b 7.4c/a 6.3c/c Rendimiento de harina (%) 87.3b/a 89.1b/b 87.6b/a 88.2b/b

Las medias que no comparten letras superndices comunes son significativamente diferentes a p=0.05 por la prueba de intervalo mltiple de Tukey.

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V. RESULTADOS Y DISCUSIN

5.1.1.1 VARIABILIDAD GENTICA INTRA ESPECIE MEDIANTE ANLISIS DE RAPD. La Figura 6 muestra los productos de amplificacin de las muestras de ADN de las 4 variedades con los 14 oligonucletidos empleados para el ensayo RAPD.

Oligo 13

Oligo 17

Oligo 23

Oligo 30

Oligo 34

S 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4

5 S 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 S

Figura 6. Productos de amplificacin de las cuatro variedades de amaranto para el ensayo RAPD. S, MPM 1 kb; 1, Criolla; 2, DGETA; 3, Gabriela; 4, Nutrisol; 5, control negativo.

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V. RESULTADOS Y DISCUSIN

Los productos de amplificacin obtenidos con los oligonucletidos 13, 17, 30, 34, 65, 77, 95 y 99 no mostraron tener polimorfismo entre variedades. Los oligonucletidos 23, 43, 81, 85, 88 y 90 mostraron diferencias en el patrn de amplificacin entre variedades. Los oligonucletidos 23, 43, 81, 85, y 90 dieron diferencias entre todas las variedades, mientras que el oligonucletido 88 agrupa a las variedades Criolla y DGETA como iguales y a las variedades Gabriela y Nutrisol en otro grupo. Chan y col. [71] estudiaron la diversidad gentica y relaciones entre 23 especies de amaranto tanto silvestres como cultivadas; donde todas las especies de amaranto mostraron ser polimrficas a nivel nter especie. Tambin reportaron que existe un alto grado de diversidad a nivel intra especie, pero la variabilidad gentica entre plantas de la misma especie mostr un alto grado de uniformidad. Un anlisis ms detallado y con un mayor nmero de oligonucletidos es necesario para determinar con exactitud las diferencias entre estas cuatro especies.

5.1.2 COMPOSICIN QUMICA DE LAS SEMILLAS DE AMARANTO. La composicin qumica del grano de amaranto permite conocer su calidad para el consumo humano. La Tabla 8 muestra la composicin proximal de las harinas de las cuatro variedades de amaranto. El contenido de protena es superior al contenido de protena reportado para cereales [3]. La variedad con el ms alto contenido de protena fue Gabriela (17.3%) seguido de las variedades Criolla y Nutrisol con (15.0 y 15.3 %, respectivamente) y finalmente DGETA con 14.8%. El contenido de lpidos fue similar entre las 4 variedades y se encuentra presente en proporciones altas (7.9-8.9 %) comparados con los reportados para cereales como el trigo (2.1 %) y maz (4.5 %). Se ha reportado que el aceite de semillas de amaranto contiene alto grado de insaturacin siendo los principales

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componentes el cido linoleco (alrededor del 70%), cido linolnico (1%), y cido estrico (20%). El contenido de cenizas fue comparable con lo reportado en la literatura para otras especies de amaranto [3]. Tabla 8. Anlisis proximal de las semillas de amaranto cultivadas en San Luis Potos. Variedad Criolla DGETA Gabriela Nutrisol Protena (%)* 15.0a/b 14.8a/b 17.3a/a 15.3a/b Grasa (%) 8.1b/c 7.9b/c 8.9b/a 8.6b/b Cenizas (%) 3.3c/c 3.3c/c 3.9c/a 3.5c/b Fibra (%) 2.2d/b 1.9d/c 2.5d/a 2.0d/c

*NX5.85. Las medias que no comparten letras superndices comunes son significativamente diferentes a p=0.05 por la prueba de intervalo mltiple de Tukey.

Las fracciones protenicas de amaranto se muestran en la Tabla 9. Las fracciones de albminas y globulinas comparten valores similares. La variedad Gabriela mostr el menor contenido de albminas (30.4%) y el mayor contenido de fraccin globulinas (42.3%). Segura-Nieto y col. [3] reportaron que la relacin albminas:globulinas depende del mtodo de extraccin empleado. Las glutelinas de amaranto son la fraccin menos estudiada. Esta fraccin es la segunda en importancia en las protenas de reserva de semillas de amaranto con valores de 24.4 a 28.2 % (Tabla 9). Tabla 9. Fracciones protenicas de amaranto cultivado en San Luis Potos. Variedad Criolla DGETA Gabriela Nutrisol Albminas 33.2ab/a 34.5a/a 30.4b/a 34.5a/a Globulinas 38.7a/a 33.1a/a 42.3a/a 30.5ab/a Prolaminas 1.7c/a 1.6b/a 1.5a/a 1.6c/a Glutelinas 24.4b/a 28.2a/a 25.3b/a 25.9b/a

Las medias que no comparten letras superndices comunes son significativamente diferentes a p=0.05 por la prueba de intervalo mltiple de Tukey.

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La composicin de aminocidos de las harinas de amaranto se muestra en la Figura 7. Se puede observar que de acuerdo a lo reportado por la FAO [38], todas las harinas muestran una composicin superior excepto DGETA.

Figura 7. Composicin de aminocidos de harinas de amaranto cultivado en San Luis Potos. La composicin de aminocidos determina las principales propiedades fsicas y qumicas de las protenas como lo son pI, solubilidad y calidad nutricional. Ms an, la composicin de aminocidos influencia las propiedades funcionales como espumacin, capacidad de absorcin de agua y aceite, emulsificacin, entre otras [79]. La Figura 8 muestra la composicin de aminocidos de las diferentes fracciones de las protenas de reserva de amaranto. Existen diferencias entre variedades y fracciones. En general, las fracciones con mayor balance de aminocidos fueron albminas, las globulinas 11S y glutelinas que tuvieron una composicin similar. Aunque los datos concuerdan con lo reportado en la literatura se sabe que las variaciones encontradas se deben principalmente al mtodo de anlisis empleado y la variedad de amaranto utilizada [2].

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V. RESULTADOS Y DISCUSIN

Figura 8. Composicin de aminocidos de las fracciones de protenas de reserva de amaranto cultivado en San Luis Potos.

5.1.3 PATRN ELECTROFORTICO DE LAS PROTENAS DE RESERVA DE AMARANTO. El anlisis electrofortico fue llevado acabo bajo condiciones desnaturalizantes, Todas las extracciones fueron hechas con harinas desengrasadas. La fraccin albminas mostr en todas las variedades una banda caracterstica a 34kDa como lo report Barba de la Rosa y col. [4] (Figura 9) Existen dos grupos principales de polipptidos. El primero tuvo un peso molecular de 18 kDa y el segundo se encontr entre los pesos moleculares de 42 a 25 kDa. La fraccin albminas puede contener protenas que pertenecen a la fraccin globulinas, puesto que las sales y algunos aminocidos libres en la semilla dan como re